五大關(guān)注點促進開關(guān)電源技術(shù)發(fā)展

關(guān)注點一:開關(guān)電源功率密度

  提高開關(guān)電源的功率密度,使之小型化、輕量化,是人們不斷努力追求的目標(biāo)。電源的高頻化是國際電力電子界研究的熱點之一。電源的小型化、減輕重量對便攜式電子設(shè)備(如移動電話,數(shù)字相機等)尤為重要。使開關(guān)電源小型化的具體辦法有:

  一是高頻化。為了實現(xiàn)電源高功率密度,必須提高PWM變換器的工作頻率、從而減小電路中儲能元件的體積重量。

  二是應(yīng)用壓電變壓器。應(yīng)用壓電變壓器可使高頻功率變換器實現(xiàn)輕、小、薄和高功率密度。壓電變壓器利用壓電陶瓷材料特有的“電壓-振動”變換和“振動-電壓”變換的性質(zhì)傳送能量,其等效電路如同一個串并聯(lián)諧振電路,是功率變換領(lǐng)域的研究熱點之一。

  三是采用新型電容器。為了減小電力電子設(shè)備的體積和重量,必須設(shè)法改進電容器的性能,提高能量密度,并研究開發(fā)適合于電力電子及電源系統(tǒng)用的新型電容器,要求電容量大、等效串聯(lián)電阻ESR小、體積小等。


關(guān)注點二:功率半導(dǎo)體器件性能

1998年,Infineon公司推出冷mos管,它采用“超級結(jié)”(Super-Junction)結(jié)構(gòu),故又稱超結(jié)功率MOSFET。工作電壓600V~800V,通態(tài)電阻幾乎降低了一個數(shù)量級,仍保持開關(guān)速度快的特點,是一種有發(fā)展前途的高頻功率半導(dǎo)體電子器件。

  IGBT剛出現(xiàn)時,電壓、電流額定值只有600V、25A。很長一段時間內(nèi),耐壓水平限于1200V~1700V,經(jīng)過長時間的探索研究和改進,現(xiàn)在IGBT的電壓、電流額定值已分別達到3300V/1200A和4500V/1800A,高壓IGBT單片耐壓已達到6500V,一般IGBT的工作頻率上限為20kHz~40kHz,基于穿通(PT)型結(jié)構(gòu)應(yīng)用新技術(shù)制造的IGBT,可工作于150kHz(硬開關(guān))和300kHz(軟開關(guān))。

  IGBT的技術(shù)進展實際上是通態(tài)壓降,快速開關(guān)和高耐壓能力三者的折中。隨著工藝和結(jié)構(gòu)形式的不同,IGBT在20年歷史發(fā)展進程中,有以下幾種類型:穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、軟穿通(SPT)型、溝漕型和電場截止(FS)型。

  碳化硅Sic是功率半導(dǎo)體器件晶片的理想材料,其優(yōu)點是:禁帶寬、工作溫度高(可達600℃)、熱穩(wěn)定性好、通態(tài)電阻小、導(dǎo)熱性能好、漏電流極小、PN結(jié)耐壓高等,有利于制造出耐高溫的高頻大功率半導(dǎo)體電子元器件。

  可以預(yù)見,碳化硅將是21世紀(jì)最可能成功應(yīng)用的新型功率半導(dǎo)體器件材料。

關(guān)注點三:高頻磁與同步整流技術(shù)

  電源系統(tǒng)中應(yīng)用大量磁元件,高頻磁元件的材料、結(jié)構(gòu)和性能都不同于工頻磁元件,有許多問題需要研究。對高頻磁元件所用磁性材料有如下要求:損耗小,散熱性能好,磁性能優(yōu)越。適用于兆赫級頻率的磁性材料為人們所關(guān)注,納米結(jié)晶軟磁材料也已開發(fā)應(yīng)用。

  高頻化以后,為了提高開關(guān)電源的效率,必須開發(fā)和應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)。它是過去幾十年國際電源界的一個研究熱點。

  對于低電壓、大電流輸出的軟開關(guān)變換器,進一步提高其效率的措施是設(shè)法降低開關(guān)的通態(tài)損耗。例如同步整流SR技術(shù),即以功率MOS管反接作為整流用開關(guān)二極管,代替蕭特基二極管(SBD),可降低管壓降,從而提高電路效率。

關(guān)注點四:分布電源結(jié)構(gòu)

  分布電源系統(tǒng)適合于用作超高速集成電路組成的大型工作站(如圖像處理站)、大型數(shù)字電子交換系統(tǒng)等的電源,其優(yōu)點是:可實現(xiàn)DC/DC變換器組件模塊化;容易實現(xiàn)N+1功率冗余,易于擴增負(fù)載容量;可降低48V母線上的電流和電壓降;容易做到熱分布均勻、便于散熱設(shè)計;瞬態(tài)響應(yīng)好;可在線更換失效模塊等。

  現(xiàn)在分布電源系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)類型,一是兩級結(jié)構(gòu),另一種是三級結(jié)構(gòu)。

關(guān)注點五:全數(shù)字化控制

  電源的控制已經(jīng)由模擬控制,模數(shù)混合控制,進入到全數(shù)字控制階段。全數(shù)字控制是一個新的發(fā)展趨勢,已經(jīng)在許多功率變換設(shè)備中得到應(yīng)用。

  但是過去數(shù)字控制在DC/DC變換器中用得較少。近兩年來,電源的高性能全數(shù)字控制芯片已經(jīng)開發(fā),費用也已降到比較合理的水平,歐美已有多家公司開發(fā)并制造出開關(guān)變換器的數(shù)字控制芯片及軟件。

  全數(shù)字控制的優(yōu)點是:數(shù)字信號與混合模數(shù)信號相比可以標(biāo)定更小的量,芯片價格也更低廉;對電流檢測誤差可以進行精確的數(shù)字校正,電壓檢測也更精確;可以實現(xiàn)快速,靈活的控制設(shè)計。


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